基于磁信號(hào)的成像探測(cè)引信交會(huì)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)

李 凱， 王西泉， 韓 焱

（1.中北大學(xué) 信息探測(cè)與處理技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051；2.中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰714200）

0 引言

成像探測(cè)引信是各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的引信技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)引信智能探測(cè)的重要措施。對(duì)彈目交會(huì)時(shí)多目標(biāo)識(shí)別、要害部位選擇具有優(yōu)越性，且兼?zhèn)淇估走_(dá)隱身和電磁干擾能力［1］。目前，對(duì)紅外、可見光、激光、毫米波、混合式紅外／毫米波等成像探測(cè)引信技術(shù)的研究，已進(jìn)入技術(shù)應(yīng)用階段。成像探測(cè)引信融合了成像探測(cè)、圖像處理、模糊識(shí)別與智能化引戰(zhàn)配合等技術(shù)［2］，其發(fā)展將為武器精確選“點(diǎn)”打擊目標(biāo)提供技術(shù)支撐，提高殺傷效果。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，各國(guó)通過研究多模信息成像技術(shù)，提升了精確制導(dǎo)武器的打擊效果。成像引信在彈目交會(huì)時(shí)對(duì)目標(biāo)具有更高的探測(cè)精度，具備目標(biāo)易損部位識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別、方位判定等功能，可以大幅度提高成像探測(cè)引信對(duì)目標(biāo)的分辨能力。

美國(guó)的AIM-9X 采用彈載數(shù)據(jù)處理器處理紅外成像導(dǎo)引頭采集的圖像信息，對(duì)高幀速序列圖像進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)彈目交會(huì)時(shí)目標(biāo)易損部位的精確識(shí)別，進(jìn)行“點(diǎn)”打擊；俄羅斯的R-73采用了多元紅外成像導(dǎo)引頭，具備了較高的多目標(biāo)識(shí)別和抗熱源干擾能力。在彈道終端快速識(shí)別彈目交會(huì)時(shí)目標(biāo)的易損部位，實(shí)時(shí)輸出運(yùn)動(dòng)偏置信號(hào)，對(duì)目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)方位信息實(shí)時(shí)更新。該導(dǎo)引頭把目標(biāo)飛機(jī)的駕駛艙和飛行員作為識(shí)別目標(biāo)，以提高武器的殺傷力［3］。

紅外成像一體化引信將紅外成像導(dǎo)引頭探測(cè)系統(tǒng)作為彈目交會(huì)時(shí)的目標(biāo)探測(cè)器，通過與導(dǎo)引頭探測(cè)系統(tǒng)的信息融合，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和目標(biāo)易損部位的精確識(shí)別［4-5］。導(dǎo)引頭位于導(dǎo)彈最前端，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行前視探測(cè)。導(dǎo)引頭的作用距離比引信遠(yuǎn)，可提前獲得彈目交會(huì)信息。相比傳統(tǒng)工作方式的引信，紅外成像一體化引信可以更早地獲取更完整的交會(huì)目標(biāo)圖像信息，對(duì)后期交會(huì)目標(biāo)圖像處理、目標(biāo)識(shí)別、跟蹤及起爆控制等復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)提供更多的時(shí)間，從而提高導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部精確起爆能力。

激光成像引信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)彈目交會(huì)時(shí)的目標(biāo)測(cè)距和目標(biāo)識(shí)別。激光引信主要采用雪崩光電二極管探測(cè)器實(shí)現(xiàn)成像探測(cè)［6］。美國(guó)將激光成像引信成功用于AGM-129和AGM-130空射巡航導(dǎo)彈的，顯著提高了制導(dǎo)精度。以色列Rafael公司的空空導(dǎo)彈采用雪崩光電二極管探測(cè)器技術(shù)，能夠在發(fā)射后自動(dòng)鎖定目標(biāo)，并具有選擇目標(biāo)易損部位的能力［7-8］。

為了獲取更多的彈目交會(huì)信息，三維激光成像圖像識(shí)別方法得到發(fā)展，但圖像信息數(shù)據(jù)量大，高分辨、高識(shí)別率、快速識(shí)別能力較差。

成像探測(cè)引信是我國(guó)引信技術(shù)的重要組成部分，傳統(tǒng)的程序探測(cè)引信在處理交會(huì)目標(biāo)圖像信息時(shí)，對(duì)識(shí)別速度的適應(yīng)性較差。在制導(dǎo)武器各種成像探測(cè)引信和傳感器的現(xiàn)有基礎(chǔ)上，如何利用傳感器的特性實(shí)現(xiàn)高精度的引信目標(biāo)識(shí)別，是急需解決的問題。本文通過研究磁傳感器測(cè)量武器的旋轉(zhuǎn)參數(shù)，利用旋轉(zhuǎn)參數(shù)確定圖像匹配的視場(chǎng)方向，縮小目標(biāo)圖像匹配的范圍，提升彈目交會(huì)時(shí)目標(biāo)識(shí)別的速率，為成像探測(cè)引信的快速圖像處理提供一種新方法。

2 旋轉(zhuǎn)圖像交會(huì)原理

2.1 引信旋轉(zhuǎn)立體視覺成像原理

引信在旋轉(zhuǎn)過程中，圖像傳感器采集的連續(xù)相鄰兩幅圖像構(gòu)成立體視覺的一對(duì)圖像，相當(dāng)于圖像傳感器沿著某一中心軸旋轉(zhuǎn)，形成兩個(gè)不同視場(chǎng)方位同時(shí)觀察同一目標(biāo)物的情況。成像探測(cè)引信獲取的圖像信息取決于視場(chǎng)方位內(nèi)覆蓋的圖像信息。成像探測(cè)引信獲取的視場(chǎng)取決于圖像傳感器光軸的方向。引信旋轉(zhuǎn)立體視覺分析時(shí)，連續(xù)相鄰兩幅圖像的交會(huì)情況由這兩幅圖像的視場(chǎng)方位重疊區(qū)域決定。因此，在成像探測(cè)引信結(jié)構(gòu)和圖像傳感器光軸方位確定的情況下，可根據(jù)成像視場(chǎng)方位確定成像探測(cè)引信目標(biāo)圖像交會(huì)的幾何重疊區(qū)模型，通過一系列的幾何變換估算出交會(huì)圖像中可能存在圖像重疊的最大區(qū)域［9］。其成像原理如圖1所示。

C1、C2分別代表連續(xù)相鄰兩幅圖像成像視場(chǎng)方位，O1、O2代表引信旋轉(zhuǎn)時(shí)圖像探測(cè)器獲取的連續(xù)相鄰兩幅圖像，θ 為圖像探測(cè)器成像時(shí)旋轉(zhuǎn)的夾角。

圖1 引信旋轉(zhuǎn)立體視覺成像模型

圖1所示的交會(huì)模型中，由第一個(gè)視場(chǎng)方位C1獲取的圖像O1和第二個(gè)視場(chǎng)方位C2獲取的圖像O2構(gòu)成立體視覺的交會(huì)圖像。成像視場(chǎng)方位交會(huì)區(qū)域?yàn)橐詧D像O1的右側(cè)邊界為一條邊，以圖像O2的左側(cè)邊界為另一條邊的矩形區(qū)域。由過第一個(gè)視場(chǎng)方位線平行于第二個(gè)視場(chǎng)方位線的平面構(gòu)成相交視場(chǎng)方位平面?？梢宰C明，在確定相鄰兩幅圖像視場(chǎng)方位平面的視場(chǎng)角、視場(chǎng)方位在相交視場(chǎng)方位平面的夾角、成像探測(cè)引信位置后，圖像重疊的矩形區(qū)域占圖像的比例系數(shù)隨著交會(huì)目標(biāo)與成像探測(cè)引信距離的增加趨近于某一極限值。

2.2 引信旋轉(zhuǎn)立體視覺交會(huì)模型

圖2為圖1中引信旋轉(zhuǎn)過程中相鄰兩個(gè)視場(chǎng)方位成像時(shí)交會(huì)的平面幾何模型。圖中：α 為成像探測(cè)引信在相交視場(chǎng)方位平面內(nèi)的視場(chǎng)角；θ為兩個(gè)相鄰兩個(gè)視場(chǎng)方位成像的夾角；β 為相交視場(chǎng)方位平面內(nèi)連續(xù)相鄰兩幅圖像成像的視場(chǎng)重疊角度；s為兩個(gè)相鄰兩個(gè)視場(chǎng)方位成像的成像探測(cè)引信圖像探測(cè)器成像中心點(diǎn)的距離。

圖2 引信旋轉(zhuǎn)立體視覺交會(huì)幾何模型

x／y 的值為圖像重疊區(qū)域在原圖像中所占的比例。由幾何關(guān)系可知：

當(dāng)a、θ、s已知時(shí)，通過公式β＝α-θ可得相交視場(chǎng)方位平面內(nèi)連續(xù)相鄰兩幅圖像成像的視場(chǎng)重疊角度β，則式中m ＝2ssin（α／2）／sin（β／2）為一確定值。

在圖2中，當(dāng)彈目交會(huì)目標(biāo)與成像探測(cè)引信的距離趨近于無窮時(shí)，成像前段距離a 也趨近于無窮大時(shí)，m／a 趨于0，式（1）對(duì)a 求極限，可得x／y 趨近于：

所以，成像探測(cè)引信采集的目標(biāo)圖像重疊區(qū)域在原圖像中所占比例小于k。

采用上述交會(huì)成像模型，成像探測(cè)引信旋轉(zhuǎn)某一角度后采集的兩幅圖像O1和O2進(jìn)行特征匹配分析時(shí)，應(yīng)針對(duì)重疊區(qū)域的圖像進(jìn)行。O1圖像搜索區(qū)域?yàn)榇藞D像右上頂點(diǎn)到光軸旋轉(zhuǎn)過角度的邊界，即頂端邊界的像素值乘以k。同理，可得O2圖像的搜索區(qū)。

通過上述方法，使交會(huì)目標(biāo)的圖像匹配區(qū)域縮小，有效限定了目標(biāo)的匹配范圍，提高了成像探測(cè)引信處理速度。

3 系統(tǒng)組成

針對(duì)旋轉(zhuǎn)武器的圖像探測(cè)引信，引信內(nèi)部安裝磁傳感器，外殼安裝成像探測(cè)器部件，通過兩者的信息融合，實(shí)現(xiàn)彈目交會(huì)時(shí)目標(biāo)的快速圖像識(shí)別。

磁信號(hào)作為成像探測(cè)引信的周期校正數(shù)據(jù)時(shí)，采用圖3所示的快速目標(biāo)識(shí)別流程。

引信外殼成像探測(cè)器采集目標(biāo)圖像。獲取的目標(biāo)圖像通過旋轉(zhuǎn)信息和圖像聯(lián)合識(shí)別目標(biāo)圖像的方位信息，其結(jié)果和先期交會(huì)的目標(biāo)信息匹配，進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，先對(duì)交會(huì)的目標(biāo)信息進(jìn)行圖像特征提取，該目標(biāo)圖像需要多幅不同角度的信息共同構(gòu)成目標(biāo)特征信息。利用磁傳感器獲取的旋轉(zhuǎn)信息，得到引信旋轉(zhuǎn)時(shí)成像的視場(chǎng)方位信息，融合目標(biāo)的圖像特征信息和目標(biāo)在連續(xù)圖像中的位置信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)目標(biāo)圖像識(shí)別。若不是目標(biāo)則再進(jìn)行成像識(shí)別，直到正確識(shí)別目標(biāo)，然后提取目標(biāo)的方位信息。

圖3 旋轉(zhuǎn)武器的圖像探測(cè)引信快速目標(biāo)識(shí)別流程

對(duì)圖1所示的成像探測(cè)引信所獲取的相鄰兩幅圖像進(jìn)行交會(huì)目標(biāo)圖像特征匹配，采用引信旋轉(zhuǎn)立體視覺交會(huì)模型，在相鄰兩幅圖像中分別選取與另一幅圖像成像視場(chǎng)方位信息一致的交會(huì)區(qū)域進(jìn)行特征點(diǎn)提取。根據(jù)特征點(diǎn)的分布情況對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行特征匹配，可有效減少圖像匹配搜索區(qū)域，快速確定目標(biāo)方位。

4 仿真分析

為了比較旋轉(zhuǎn)信息和成像探測(cè)引信的快速目標(biāo)方位解算的效果，使三軸線圈式磁傳感器和圖像傳感器勻速旋轉(zhuǎn)，模擬武器旋轉(zhuǎn)時(shí)獲取磁傳感器信號(hào)和圖像信息。以20（°）／s2的勻加速旋轉(zhuǎn)，加速到400（°）／s的旋轉(zhuǎn)速率，運(yùn)行一段時(shí)間后，以20（°）／s2減速到停止，測(cè)得磁傳感器信號(hào)的原始數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 三軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬圖像探測(cè)引信旋轉(zhuǎn)時(shí)的磁傳感器輸出信號(hào)

模擬成像探測(cè)引信旋轉(zhuǎn)時(shí)獲取彈丸目標(biāo)圖像，如圖5所示。圖像傳感器先采集到圖中所示的實(shí)線區(qū)域A，之后采集到圖中所示虛線區(qū)域B。按圖3所示的處理流程，對(duì)成像探測(cè)器采集的圖像進(jìn)行區(qū)域劃分，傳感器旋轉(zhuǎn)的角度決定了圖像交會(huì)的區(qū)域C，圖像匹配時(shí)只需對(duì)區(qū)域C 進(jìn)行分析，這樣可以有效減少運(yùn)算量。

圖5 三軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬圖像探測(cè)引信旋轉(zhuǎn)時(shí) 采集的相鄰兩幅圖像示意圖

從圖5的圖像區(qū)域分割可以看出，無論待匹配圖像中的目標(biāo)物角點(diǎn)分布情況如何復(fù)雜，使用本文的方法可取得良好的匹配效率。相對(duì)于傳統(tǒng)的在整幅圖像區(qū)域內(nèi)進(jìn)行圖像特征的提取與匹配方法，在視場(chǎng)方位重疊區(qū)內(nèi)進(jìn)行圖像特征的提取與匹配能大大減少特征提取的工作量，縮短匹配用時(shí)，如表1所示。匹配結(jié)果消除了圖像可能的最大重疊區(qū)域外的明顯的誤匹配點(diǎn)。降低了錯(cuò)誤識(shí)別概率。

表1 圖像匹配數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

采用磁傳感器獲取的周期信號(hào)對(duì)采集的目標(biāo)圖像進(jìn)行融合，利用目標(biāo)圖像特征進(jìn)行匹配，可以克服常規(guī)成像探測(cè)引信需要全圖像搜索識(shí)別用時(shí)多的問題。采用成像視場(chǎng)方位對(duì)交會(huì)目標(biāo)進(jìn)行圖像識(shí)別，有效降低了誤識(shí)別的概率，快速確定目標(biāo)方位。

本文設(shè)計(jì)的基于磁信號(hào)的成像探測(cè)引信交會(huì)目標(biāo)圖像識(shí)別技術(shù)也可用于紅外、激光等成像探測(cè)引信。

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